KR20070012930A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20070012930A
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Abstract

본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 밑면이 요철 형상으로 형성된 제 1 반도체층; 제 1 반도체층 위에 형성된 활성층; 활성층 위에 형성된 제 2 반도체층; 제 2 반도체층 위에 형성된 제 2 전극; 제 1 반도체층 아래에 형성된 제 1 전극; 을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 제 1 반도체층을 형성하는 단계; 제 1 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 활성층 위에 제 2 반도체층을 형성하는 단계; 기판을 제거하는 단계; 제 1 반도체층에 요철 형상을 형성하는 단계; 제 1 반도체층에 제 1 전극을 형성하고, 제 2 반도체층에 제 2 전극을 형성하는 단계; 를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 외부양자효율 및 열소산(thermal dissipation)을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof}
도 1은 종래 반도체 발광소자 구조의 한 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 종래 반도체 발광소자 구조의 다른 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21, 31... 기판 12, 22, 32... 버퍼층
13, 23, 33... n형 클래드층 14, 24, 34... 활성층
15, 25, 35... p형 클래드층 16, 26, 36... p형 접촉층
17, 27, 37... p형 전극 18, 28, 38... n형 전극
41... 포토레지스트막 43... 요철
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 발광소자, 예를 들면 발광 다이오드에서는 기본적으로 기판상에 n형 반도체층, 발광영역, p형 반도체층을 적층구조로 성장시키는 한편, p형 반도체층 및 n형 반도체층 위에 전극을 형성한다. 그리고, 반도체층으로부터 주입되는 정공과 전자의 재결합에 의해 발광영역에서 빛이 발생하면, 그 빛을 p형 반도체층 상의 투광성 전극 또는 기판으로부터 방출하도록 하는 구조를 채용하고 있다. 여기서, 투광성 전극이란 p형 반도체층의 거의 전면에 형성된 금속박막 또는 투명 도전막으로 이루어지는 광투과성 전극을 나타낸다.
이때, 상기 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 색깔(파장)은 발광 다이오드를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따라 결정된다. 이는 방출된 빛의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band gap)에 따르기 때문이다.
도 1은 종래 반도체 발광소자 구조의 한 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
종래 반도체 발광소자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(11), 버퍼층(12), n형 클래드층(13), 활성층(14), p형 클래드층(15), p형 접촉층(16), p형 전극(17), n형 전극(18)을 포함하여 구성된다.
이러한 구조의 반도체 발광소자에서는 적층구조를 원자레벨로 제어하는 관계로, 상기 기판(11)의 평탄성을 거울면과 같은 수준으로 가공하게 된다. 이에 따라 상기 기판(11) 상에 형성되는 반도체층(12)(13)(15), 활성층(14) 및 전극(17)(18)은 서로 평행한 적층 구조를 이루게 된다.
여기서, 반도체층의 굴절률이 크고, 상기 p형 클래드층(15)의 표면과 상기 기판(11)의 표면에 의해 도파로가 구성된다. 이에 따라, 빛이 p형 전극(17) 표면 또는 기판(11) 표면에 대해 소정의 임계각 이상의 각도로 입사되면, p형 전극(17)과 p형 클래드층(15)의 계면 또는 기판(11) 표면에서 반사되어 반도체층의 적층 구조 내를 횡방향으로 전파하게 된다. 이때, 빛은 횡방향으로 전파되면서 도파로 내에 포착되고 또한 횡방향으로의 전파중 손실도 발생되며, 이는 소기의 외부양자효율을 얻을 수 없게 되는 원인이 된다.
이와 같은 단점을 개선하고 외부양자효율을 개선하기 위한 하나의 방안으로 도 2에 도시된 바와 같은 반도체 발광소자가 제안되었다. 도 2는 종래 반도체 발광소자 구조의 다른 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
개선된 반도체 발광소자는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(21), 버퍼층(22), n형 클래드층(23), 활성층(24), p형 클래드층(25), p형 접촉층(26), p형 전극(27), n형 전극(28)을 포함하여 구성된다.
개선된 반도체 발광소자는, 도 1에 도시된 종래 반도체 발광소자와 비교하여 볼 때, 상기 기판(21)의 상부면이 요철 형상으로 형성된 점에 그 특징이 있다. 즉, 요철 형상이 형성된 상기 기판(21) 상에 버퍼층(22)이 형성되고, 그 위에 n형 클래드층(23)이 적층 형성되는 것이다.
종래의 평탄한 기판을 갖는 반도체 발광소자의 경우, 반도체층 내에서 횡방향으로 전파하는 빛은 전파되는 동안에 반도체층이나 전극으로 일부가 흡수되어 반도체층에서 나오기까지 감쇠된다.
이에 비하여 도 2에 도시된 개선된 반도체 발광소자는 횡방향으로 전파되는 빛은 요철이 형성된 영역에서 산란 또는 회절 되며, 이에 따라 위쪽의 반도체층(22)(23)(24)(25) 또는 하부의 기판(21)으로부터 효율적으로 방출되고, 외부양자효율이 큰 폭으로 향상될 수 있게 된다.
한편, 도 2에 도시된 개선된 반도체 발광소자의 경우, 표면과 계면에서 주입된 캐리어들이 이동함으로써 전기전도도가 발생되며, 발광을 하기 위한 일정 면적 내에서의 높은 구동 전압으로 많은 양의 주입 캐리어들(전자)의 흐름이 형성되는데, 전류 패스는 n형 전극(28)의 아래에 위치한 n형 클래드층(23)의 박막을 통해 흐르게 되며, 이때 전류 밀도가 집중되는 영역이 n형 전극(28)에서 가까운 곳에 위치하게 된다.
이 영역에서는 전류집중(current crowding) 현상이 나타나고, 이로 인하여 전류밀도(current density)가 상대적으로 높아지게 된다. 이렇게 전류 분포가 집중되는 영역이 발생될 경우 급격한 온도 증가가 발생되고, 발생된 열로 인하여 발광 효율은 낮아지게 되고 장기적으로는 소자의 신뢰성도 나빠지게 된다.
아울러, 2 개의 전극이 가까이 위치하므로 정전기에 더 취약하게 되고 기판이 절연 기판이므로 열 싱크에 부착하더라도 열소산(thermal dissipation)이 좋지 않다는 단점이 있다.
이에 따라, 외부양자효율을 향상시키고 열소산(thermal dissipation)을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자에 대한 개발이 모색되고 있다.
본 발명은 외부양자효율 및 열소산(thermal dissipation)을 향상시킬 수 있 는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 밑면이 요철 형상으로 형성된 제 1 반도체층; 상기 제 1 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2 반도체층; 상기 제 2 반도체층 위에 형성된 제 2 전극; 상기 제 1 반도체층 아래에 형성된 제 1 전극; 을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 제 1 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 1 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 제 2 반도체층을 형성하는 단계; 상기 기판을 제거하는 단계; 상기 제 1 반도체층에 요철 형상을 형성하는 단계; 상기 제 1 반도체층에 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 2 반도체층에 제 2 전극을 형성하는 단계; 를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 외부양자효율 및 열소산(thermal dissipation)을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 도 3에 도시된 바와 같이, 밑면이 요철 형상으로 형성된 n형 클래드층(33)과, 상기 n형 클래드층(33) 위에 형성된 활성층 (34)과, 상기 활성층(34) 위에 형성된 p형 클래드층(35)을 포함하여 구성된다.
또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 상기 p형 클래드층(35) 위에 형성된 p형 전극(37)과, 상기 n형 클래드층(33) 아래에 형성된 n형 전극(38)을 포함하여 구성되며, 상기 p형 클래드층(35)과 상기 p형 전극(37) 사이에는 p형 접촉층(36)이 더 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 n형 클래드층(33)은 n-GaN 클래드층으로 이루어지고, 상기 p형 클래드층(35)은 p-GaN 클래드층으로 이루어질 수 있으며, 상기 활성층(34)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 n형 클래드층(33)에 형성된 요철 형상은 동일한 간격으로 형성될 수도 있으며, 그 간격이 동일하지 않도록 형성될 수도 있다. 또한 상기 n형 클래드층(33)의 요철 면에 형성된 상기 n형 전극(38)은 상기 n형 클래드층(33)의 전면에 걸쳐 형성되도록 할 수 있다.
이와 같은 적층구조를 갖는 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 상기 n형 전극(38)과 p형 전극(37)이 각각 소자의 하부 및 상부에 형성되는 수직형 구조인 점에 그 특징이 있다. 이에 따라, 종래 플래너(planar) 구조에서의 문제점이었던, n형 전극 부근에 전류 밀도가 집중되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 따른 반도체 발광소자에서는, 상기 p형 전극(37)과 n형 전극(38)이 상/하로 평행하게 적층 형성됨에 따라, 전류 밀도가 특정 영역에 집중되는 것이 아니라 상기 n형 전극(38)의 대응되는 전체 영역에 고르게 분포하게 된다. 이와 같이, 상기 n형 전극(38)의 특정 부분에서 전류집중(current crowding) 현상이 나타나는 것을 방지함으로써, 이 특정 영역에서 급격한 온도 증가가 발생되는 것을 원천적으로 방지할 수 있게 되는 것이다.
아울러, 본 발명에 따른 반도체 발광소자에서는 2 개의 전극이 서로 충분한 간격을 두고 위치하므로 정전기에 더욱 강한 특성을 가지게 되며, 열 싱크에 부착하는 방안 등을 통하여 열소산(thermal dissipation) 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 발광소자에서 횡방향으로 전파되는 빛은 상기 n형 클래드층(33)의 요철이 형성된 영역에서 산란 또는 회절되어 방출됨으로써 외부양자효율을 큰 폭으로 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
그러면, 이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제조과정을 도 4a 내지 도 4h를 참조하여 설명하기로 한다. 도 4a 내지 도 4h는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법에 의하면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(31) 위에 버퍼층(32), n형 클래드층(33), 활성층(34), p형 클래드층(35)을 적층 형성한다. 상기 버퍼층(32)은 제외될 수도 있으나, 상기 기판(31) 위에 형성되는 반도체층의 특성을 향상시키기 위한 하나의 방안으로 형성되는 것이다. 여기서, 상기 n형 클래드층(33)은 n-GaN 클래드층으로 형성되고, 상기 p형 클래드층(35)은 p-GaN 클래드층으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 결과물로부터 상기 기판(31)을 제거한다. 이때, 상기 기판(31)은 레이저 리프트 오프(lift-off) 방식에 의하여 분리 제거될 수 있으며, 상기 레이저 리프트 오프 방식을 적용함에 있어 엑시머 레이저(eximer laser)를 이용하여 상기 기판(31)을 분리 제거할 수 있다.
그리고, 도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 버퍼층(32)을 제거하여 상기 n형 클래드층(33)을 노출시킨다. 이때, 상기 버퍼층(32)을 제거함에 있어, 기계 연마 또는 식각에 의하여 상기 버퍼층(32)을 제거하고 상기 n형 클래드층(33)을 노출시킬 수 있다.
상기 노출된 n형 클래드층(33) 상에, 도 4e에 도시된 바와 같이, 포토레지스트막(41)을 형성하고 패터닝을 수행한다. 그리고, 상기 패터닝된 포토레지스트막(41)에 대해서 식각을 수행하여 상기 n형 클래드층(33)에 요철(43) 형상을 형성한다(도 4f 참조). 여기서, 상기 n형 클래드층(33)에 형성된 요철(43) 형상은 동일한 간격으로 형성될 수도 있으며, 그 간격이 동일하지 않도록 형성될 수도 있다.
이후, 상기 포토레지스트막(41)을 제거하고, 도 4g에 도시된 바와 같이, 요철 형상이 형성된 상기 n형 클래드층(33)에 n형 전극(38)을 형성하고, 상기 p형 클래드층(35)에 p형 전극(37)을 형성한다. 이때, 상기 n형 전극(38)은 상기 n형 클래드층(33)의 전면에 걸쳐 형성되고, 상기 p형 전극(37)은 상기 p형 클래드층(35)의 전면에 걸쳐 형성될 수 있다. 이때 전면에 걸쳐 형성된 상기 n형 전극(38)과 p형 전극(37) 중 하나는 투광전극으로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 p형 클래드층(35)과 상기 p형 전극(37) 사이에 p형 접촉층(36)을 더 형성할 수도 있다.
이와 같은 제조공정을 통하여 형성된 반도체 발광소자는, 도 4h에 도시된 바 와 같이, 횡방향으로 전파되는 빛은 상기 n형 클래드층(33)의 요철(43)이 형성된 영역에서 산란 또는 회절되어 방출됨으로써 외부양자효율을 큰 폭으로 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 발광소자에서는, 상기 p형 전극(37)과 n형 전극(38)이 상/하로 평행하게 적층 형성됨에 따라, 전류 밀도가 특정 영역에 집중되는 것이 아니라 상기 n형 전극(38)의 대응되는 전체 영역에 고르게 분포하게 된다. 이와 같이, 상기 n형 전극(38)의 특정 부분에서 전류집중(current crowding) 현상이 나타나는 것을 방지함으로써, 이 특정 영역에서 급격한 온도 증가가 발생되는 것을 원천적으로 방지할 수 있게 되는 것이다.
아울러, 본 발명에 따른 반도체 발광소자에서는 2 개의 전극이 서로 충분한 간격을 두고 위치하므로 정전기에 더욱 강한 특성을 가지게 되며, 열 싱크에 부착하는 방안 등을 통하여 열소산(thermal dissipation) 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 여기서는 n형 클래드층(35)에 요철 형상이 형성되고, 그 요철 형상이 형성된 면에 n형 전극(38)이 형성된 경우를 기준으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 p형 클래드층(35)에 요철 형상을 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 상부에 p형 반도체층이 형성되고, 하부에 n형 반도체층이 형성된 pn 접합구조의 반도체 발광소자를 예로서 설명하였으나, p형 반도체층 상부에 n형 반도체층이 더 형성된 npn 접합구조의 반도체 발광소자도 가능하다. 여기서, npn 접합구조의 반도체 발광소자란, 제 1 전극층과 제 2 전극층이 모두 n형 반도체층으로 형성되며, 그 사이에 p형 반도체층이 형성된 경우를 의미한다. 이때, 제 1 전극은 n형 반도체층인 제 1 전극층의 하부에 형성되며, 제 2 전극은 n형 반도체층인 제 2 전극층의 상부에 형성된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면 외부양자효율 및 열소산(thermal dissipation)을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (18)

  1. 밑면이 요철 형상으로 형성된 제 1 반도체층
    상기 제 1 반도체층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 제 2 반도체층;
    상기 제 2 반도체층 위에 형성된 제 2 전극;
    상기 제 1 반도체층 아래에 형성된 제 1 전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층은 n형 반도체층으로 이루어지고, 상기 제 2 반도체층은 p형 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에 형성된 요철 형상은 동일한 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에 형성된 요철 형상은 그 간격이 동일하지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 반도체층의 전면에 걸쳐 형성되고, 상기 제 2 전극은 상기 제 2 반도체층의 전면에 걸쳐 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 반도체층과 상기 제 2 전극 사이에 제 3 반도체층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층 및 상기 제 3 반도체층은 n형 반도체층으로 이루어지고, 상기 제 2 반도체층은 p형 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 기판 위에 제 1 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 제 2 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 기판을 제거하는 단계;
    상기 제 1 반도체층에 요철 형상을 형성하는 단계;
    상기 제 1 반도체층에 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 2 반도체층에 제 2 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층은 n형 반도체층으로 형성되고, 상기 제 2 반도체층은 p형 반도체층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에 형성된 요철 형상은 동일한 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에 형성된 요철 형상은 그 간격이 동일하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 반도체층의 전면에 걸쳐 형성되고, 상기 제 2 전극은 상기 제 2 반도체층의 전면에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 기판을 제거하는 단계에 있어, 레이저 리프트 오프(lift-off) 방식에 의하여 상기 기판을 분리 제거하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 레이저 리프트 오프 방식을 적용함에 있어 엑시머 레이저(eximer laser)를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에 요철 형상을 형성하는 단계는,
    상기 제 1 반도체층에 포토레지스트막을 형성하고 패터닝을 수행하는 단계;
    상기 패터닝된 포토레지스트막에 대해서 식각을 수행하여 상기 제 1 반도체층에 요철 형상을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트막을 제거하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제 8항에 있어서,
    상기 기판 위에 상기 제 1 반도체층이 형성되기 전에, 상기 기판 위에 버퍼층이 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 버퍼층이 더 형성된 경우에는,
    상기 기판이 제거된 단계 이후, 상기 버퍼층을 제거하여 상기 제 1 반도체층을 노출시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 버퍼층을 제거함에 있어, 기계 연마 또는 식각에 의하여 상기 버퍼층을 제거하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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